燃?xì)夥植际侥茉措姀S機(jī)組選型分析

趙 丹

（國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095）

0 引言

分布式能源是利用小型設(shè)備向客戶提供能源供應(yīng)的新能源利用方式，通常指在客戶附近，以小規(guī)模、分散式的方式布置，可獨(dú)立提供電、冷、熱的供能系統(tǒng)。作為一種能源集成系統(tǒng)，分布式能源的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一種建立在能量梯級基礎(chǔ)上，將供熱、制冷及發(fā)電過程結(jié)合在一起的總能系統(tǒng)，使系統(tǒng)內(nèi)的中、低溫?zé)崮艿靡院侠砝茫?］。與傳統(tǒng)的集中供電系統(tǒng)和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)可以在大幅度提高系統(tǒng)能源利用率的同時(shí)，降低環(huán)境污染，能更好地滿足客戶對不同能源形式的需求。

目前，天然氣冷熱電三聯(lián)供是分布式能源的主要利用方式，其燃料除了天然氣外，也可以是煤層氣、煤制氣、焦?fàn)t煤氣等，其能源利用率可達(dá)到80%左右。因此，為盡可能提高能源利用率，有必要選擇適宜的分布式電廠燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組配置方式，并根據(jù)冷、熱、電客戶的實(shí)際需求，配置與實(shí)際需求相匹配的機(jī)組方案。

1 燃?xì)饫錈犭娙?lián)供機(jī)組型式

燃?xì)饫錈犭娙?lián)供系統(tǒng)主要由動力設(shè)備、余熱利用設(shè)備和制冷設(shè)備等組成。

1.1 動力設(shè)備

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的動力設(shè)備主要有燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)馔馊紮C(jī)、微燃機(jī)和燃料電池等［2－3］。

1）燃?xì)廨啓C(jī)是分布式能源項(xiàng)目中普遍使用的動力設(shè)備。小型燃?xì)廨啓C(jī)容量從幾百千瓦到50 MW，發(fā)電效率一般在20%～35%，余熱均為高品質(zhì)煙氣，溫度在500℃左右，非常便于回收，熱電聯(lián)產(chǎn)效率一般可達(dá)75%～85%。商業(yè)發(fā)電用機(jī)組容量一般為100～300 MW。燃?xì)廨啓C(jī)分為重型燃?xì)廨啓C(jī)及輕型燃?xì)廨啓C(jī)：

（1）工業(yè)重型燃?xì)廨啓C(jī)是專門為陸用發(fā)電而開發(fā)設(shè)計(jì)的，特點(diǎn)是設(shè)備體積和質(zhì)量較大，對燃料的適應(yīng)性較強(qiáng)，可燃用輕質(zhì)油和重油。重型燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度較高，當(dāng)采用燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)時(shí)，其配置的余熱鍋爐產(chǎn)汽量較大，故汽輪機(jī)的發(fā)電出力和供汽量均較大。雖然該型燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)效率略低于輕型燃?xì)廨啓C(jī)，但聯(lián)合循環(huán)熱效率略高，缺點(diǎn)是設(shè)備的檢修周期較長。

（2）輕型燃?xì)廨啓C(jī)體積小、重量輕，設(shè)備部件精度高，對機(jī)組運(yùn)行的環(huán)境條件要求較苛刻。輕型燃?xì)廨啓C(jī)啟停迅速，單循環(huán)熱效率較高，非常適宜于作調(diào)峰發(fā)電機(jī)組。輕型燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度較低，當(dāng)采用燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)時(shí)，其配置的余熱鍋爐產(chǎn)汽量較少，故汽輪機(jī)的發(fā)電出力和供熱汽量均較小，對于冷熱電三聯(lián)供項(xiàng)目來說，其供熱能力相對較低。

2）燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)初投資較低、啟動方便、變工況性能較好，但噪聲較大、污染物排放較高，需要定期維護(hù)。內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率較高，從小樓宇使用的1～5 MW，到熱電聯(lián)產(chǎn)電廠或調(diào)峰電廠的20～100 MW，發(fā)電效率均可達(dá)到35%～44%。內(nèi)燃機(jī)組可以搭配各種大小不同單機(jī)容量，以多機(jī)組合、可漸進(jìn)擴(kuò)充發(fā)電容量滿足電廠彈性的經(jīng)濟(jì)性投資。內(nèi)燃機(jī)的余熱有350～450℃的排氣、90～110℃的缸套冷卻水、50～80℃中冷器冷卻水和潤滑油冷卻水，熱回收可視需求分別從不同系統(tǒng)獲得。

3）燃?xì)馔馊紮C(jī)是一種外燃的閉式循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)動機(jī)，發(fā)電效率可達(dá)40%，且出力和效率不受海拔高度影響。外燃機(jī)可選用的燃料范圍比較廣，包括各種氣體、液體和固體燃料。燃料在汽缸外過氧連續(xù)燃燒，運(yùn)行平穩(wěn)、振動小，排氣中有害成分較少，且噪聲較低。外燃機(jī)零部件較少，潤滑油耗量較小，無需過多維護(hù)保養(yǎng)。但其制造成本較高，工質(zhì)密封技術(shù)較難，密封件的可靠性和使用壽命尚待提高。

4）微燃機(jī)將燃?xì)廨啓C(jī)微型化、簡單化，并結(jié)合先進(jìn)的回?zé)峒夹g(shù)、永磁發(fā)電技術(shù)、電力變頻控制技術(shù)和智能控制技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化整合，使其成為一種白色家電化的能源設(shè)備。微燃機(jī)的功率在30～300 k W，發(fā)電效率為12%～28%，煙氣溫度在275～550℃。微燃機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動部件較少、重量較輕，且運(yùn)行維護(hù)成本非常低。

5）燃料電池是把氫和氧反應(yīng)生成水放出的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，具有高效率、無污染、適用廣、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)。目前，燃料電池尚處于開發(fā)研制階段，待技術(shù)、價(jià)格等相關(guān)問題得到解決之后，將是未來最具發(fā)展價(jià)值的動力設(shè)備。

1.2 余熱利用設(shè)備

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的余熱利用設(shè)備主要為余熱鍋爐。余熱鍋爐實(shí)質(zhì)上是一臺大型的熱交換器，利用燃?xì)廨啓C(jī)的高溫排氣加熱給水，并產(chǎn)生過熱蒸汽，再送往汽輪機(jī)做功。

余熱鍋爐按照結(jié)構(gòu)型式可分為立式和臥式；按照燃燒方案可分為補(bǔ)燃和無補(bǔ)燃，補(bǔ)燃余熱鍋爐又可分為部分補(bǔ)燃和完全補(bǔ)燃；按照蒸汽壓力等級可分為單壓、雙壓、雙壓再熱、三壓和三壓再熱5類蒸汽系統(tǒng)。

1.3 制冷設(shè)備

冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的制冷系統(tǒng)主要分為壓縮式和吸收式兩種。

1）壓縮式制冷機(jī)主要通過消耗外功并傳遞給壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，可通過機(jī)械能的分配來調(diào)節(jié)電量和冷量的比例。

2）吸收式制冷機(jī)則是通過消耗低品味熱能來制冷，將來自熱電聯(lián)產(chǎn)的一部分或全部熱能用于驅(qū)動制冷系統(tǒng)，根據(jù)對熱量和冷量的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

常用的吸收式制冷設(shè)備有溴化鋰吸收式制冷機(jī)和氨吸收式制冷機(jī)。溴化鋰吸收式制冷機(jī)以熱能為動力，溴化鋰溶液為吸收劑，制取0℃以上的冷水。其對熱源參數(shù)的要求低、適應(yīng)性強(qiáng)，且消耗電能較少。氨吸收式制冷機(jī)以氨—水作為工質(zhì)，工作原理與溴化鋰吸收式制冷機(jī)相似，且能制取0℃以下的冷量而不易結(jié)晶。

2 分布式能源電廠機(jī)組配置分析

分布式能源電廠通常為燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，即除上述燃?xì)饫錈犭娙?lián)供主要設(shè)備外，還配有蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的高溫排氣在余熱鍋爐中加熱給水，使其成為過熱蒸汽后進(jìn)入蒸汽輪機(jī)做功。根據(jù)冷熱客戶特點(diǎn)，蒸汽輪機(jī)可選用純凝式、抽凝式和背壓式。

分布式能源電廠機(jī)組配置的原則是根據(jù)上網(wǎng)電量和周邊的用熱、用冷負(fù)荷，按“以熱定電、以冷定電”原則進(jìn)行配置［4］。通常，熱負(fù)荷為采暖負(fù)荷時(shí)，由于機(jī)組運(yùn)行有季節(jié)性差異，故需選用抽凝式蒸汽輪機(jī)。熱負(fù)荷若為穩(wěn)定的工業(yè)用汽，則推薦使用背壓式蒸汽輪機(jī)。大多數(shù)分布式能源的熱負(fù)荷都是既有采暖負(fù)荷又有工業(yè)負(fù)荷的，此時(shí)建議根據(jù)實(shí)際熱負(fù)荷情況，使用抽凝式與背壓式汽輪機(jī)配合設(shè)置的方案［4－5］。

下面以某工業(yè)園區(qū)的分布式能源機(jī)組配置方案為例，分析說明各機(jī)組配置的特點(diǎn)。

2.1 確定供熱參數(shù)

園區(qū)內(nèi)規(guī)劃用熱蒸汽企業(yè)共7家，需蒸汽壓力為0.60～1.25 MPa，溫度為160～220℃，總計(jì)蒸汽用量約為105 t／h；需要0.3 MPa、7℃左右的冷卻水客戶兩家，需要冷卻水用量約為550 t／h。

根據(jù)各熱客戶用蒸汽參數(shù)、用蒸汽時(shí)間及至供汽電站距離等特點(diǎn)，將汽機(jī)抽汽口供熱額定參數(shù)定為1.4 MPa、300℃左右，后經(jīng)減溫器減至220℃送出。將冷水用量折合為熱蒸汽后，折算至熱源分界點(diǎn)后的蒸汽量約為100 t／h。

2.2 機(jī)組配置方案

根據(jù)客戶特點(diǎn)及電站管理運(yùn)營性質(zhì)，選用燃?xì)廨啓C(jī)較為合適。本項(xiàng)目適宜選用的重型燃?xì)廨啓C(jī)為GE ＆南汽公司的PG6111FA型及PG6581B型燃?xì)廨啓C(jī)，普惠公司FT8-3型燃?xì)廨啓C(jī)。輕型燃機(jī)可選用GE ＆ 華電通用公司的LM6000PD-SPRINT型燃?xì)廨啓C(jī)。機(jī)組配置方案如表1所示。

2.3 各配置方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的分析比較

各配置方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1）兩套PG6111FA型“一拖一”燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的配置方案，選用抽凝式汽輪機(jī)。燃機(jī)的單機(jī)循環(huán)效率較高，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電量很大，供熱能力較大，但由于本項(xiàng)目所需熱負(fù)荷低于其供熱能力，故總熱效率不高。

表1 機(jī)組配置方案

2）兩套PG6581B型“二拖一”燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的配置方案，選用抽凝式汽輪機(jī)。燃機(jī)的單機(jī)循環(huán)效率較低，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電量很大，供熱能力很大。但由于本項(xiàng)目所需熱負(fù)荷遠(yuǎn)低于其供熱能力，故總熱效率很低。

3）兩套PG6581B型“一拖一”燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的配置方案，一套選用抽凝式汽輪機(jī)，一套選用背壓式汽輪機(jī)。由于選用了背壓式汽輪機(jī)，故聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的發(fā)電量很小，供熱能力與本項(xiàng)目較匹配，總熱效率較高。

4）兩套FT8-3型“一拖一”燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的配置方案，一套選用抽凝式汽輪機(jī)，一套選用背壓式汽輪機(jī)。燃機(jī)的單機(jī)循環(huán)效率較高，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的發(fā)電量較小，供熱能力與本項(xiàng)目較匹配，總熱效率較低。

表2 各配置方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

5）三套LM6000PD-SPRINT型“一拖一”燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的配置方案，一套選用抽凝式汽輪機(jī)，兩套選用背壓式汽輪機(jī)。燃機(jī)的單機(jī)循環(huán)效率很高，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電量較大，供熱能力較小，但與本項(xiàng)目很匹配，故總熱效率很高。

這幾種配置方案均可滿足熱客戶供熱需求，但從機(jī)組初投資及總熱效率等方面綜合考慮，本項(xiàng)目推薦配置兩套PG6581B型“一拖一”燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組，一套選用抽凝式汽輪機(jī)，一套選用背壓式汽輪機(jī)。

3 結(jié)語

重型燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)循環(huán)效率相對稍低，但供熱能力較大，對燃料品質(zhì)及運(yùn)行環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。輕型燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)循環(huán)效率較高，發(fā)電能力更強(qiáng)，較適合運(yùn)行環(huán)境較好的樓宇類場所。在機(jī)組配置時(shí)，需要根據(jù)冷、熱、電客戶的實(shí)際需求，配置與實(shí)際需求相匹配的機(jī)組方案，可采用分期建設(shè)，切勿過度放大配置，降低機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。分布式能源項(xiàng)目應(yīng)盡可能多方位開發(fā)低品質(zhì)熱能客戶，以提高綜合利用的高效率。

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